La sociedad occidental se ha acostumbrado a un nivel extremadamente alto de fiabilidad en sus servicios básicos. Esperamos que, al igual que nuestras redes de suministro eléctrico, nuestras redes de telecomunicaciones y de TI estén disponibles siempre que las necesitemos, y consideramos un grave fallo en los niveles de servicio que se produzca una avería o que nuestros proveedores de servicio estén por debajo de tales objetivos. Expresiones como disponibilidad de “cinco nueves” o de “seis nueves” se emplean de manera habitual, a menudo sin pensar mucho en lo que significan realmente. Una disponibilidad del 99,999% significa un tiempo de inactividad de unos 5 minutos al año, mientras que para “seis nueves” es de sólo medio minuto al año. De ahí que numerosos sistemas críticos de la infraestructura y las empresas cuenten con el soporte de sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) diseñados para ofrecer una transición perfecta a una fuente de suministro en las propias instalaciones en caso de pérdida de suministro por la compañía eléctrica.  El mercado de los SAI incluye sistemas pequeños, a partir de 1 kVA o incluso menos, capaces de atender uno o dos ordenadores, hasta decenas de kVA; e instalaciones de tamaño medio de decenas de centenares de kVA, para los cuales una aplicación típica podría ser la infraestructura de TI de un edificio de oficinas. A lo largo de los últimos años se han construido muchas instalaciones de gran tamaño, del orden de megavatios, para ofrecer soporte a centros de datos y asegurar la disponibilidad constante de servicios on-line. Si bien las granjas de servidores y los centros de datos de gran tamaño han sido las aplicaciones de mayor perfil en los años y meses recientes, los SAI siguen atendiendo mercados para sistemas críticos consolidados desde hace mucho tiempo; algunos ejemplos son los quirófanos y el control de tráfico aéreo.

La clasificación de los SAI según su potencia de salida no indica nada acerca de su capacidad, es decir, el período de tiempo durante el cual han sido diseñados para ofrecer alimentación. Un SAI puede haber sido configurado para sustituir el suministro de la red eléctrica durante un largo período, hasta varias horas, o bien puede servir para suministrar una alimentación “puente”, es decir, ofrecer alimentación de manera instantánea tras la pérdida de suministro, pero sólo durante unos segundos o minutos hasta que puede ponerse en marcha una fuente como un generador Diésel y obtener una salida estable. También existe un modelo de uso a corto plazo en el cual no hace falta que el SAI trabaje de forma continua sino que proporcione tan sólo la alimentación suficiente para asegurar un apagado ordenado del sistema del cliente.

Las baterías alimentan la mayoría de SAI
Aunque se pueden utilizar otras tecnologías, como los circuitos compensadores (flywheels), la mayoría de los SAI utilizan baterías para almacenar energía. Las baterías proporcionan una gran capacidad y son capaces de suministrar alimentación casi instantáneamente. Si el SAI va a funcionar de manera fiable, es fundamental que las baterías no sólo estén completamente cargadas, sino que también se encuentren en buen estado.
Pese a los numerosos avances obtenidos para la tecnología de las baterías en otros aspectos, las células utilizadas en las aplicaciones de los SAI siguen empleando una de las químicas más antiguas: el plomo-ácido. Las células de plomo-ácido se han visto desplazadas de las aplicaciones de alimentación en espera por varias razones. Ofrecen una buena densidad de energía (aunque no extraordinaria para los actuales niveles de exigencia) en lo relativo a la carga almacenada por unidad de volumen; tienen una muy buena densidad de potencia, ya que proporcionan elevadas corrientes solicitadas, sin provocar daños; que su elevado paso las aleje de muchas aplicaciones portátiles apenas tiene consecuencia en la instalación de un SAI; y por encima de todo quizá, está su bajo coste. También es un factor a valorar, con la sensibilidad actual respecto al medio ambiente, que son relativamente “ecológicas”: casi todos sus componentes, pero especialmente el plomo, son completamente reciclables.

Las características de carga y el ciclo de trabajo de las células de plomo-ácido también se adaptan bien a su aplicación en los SAI. La célula VRLA (valve-regulated lead-acid o plomo-ácido regulada por válvula) no solo tolera una carga “flotante” de manera constante, sino que su vida operativa se ve maximizada si se mantiene a plena carga y raramente se descarga a fondo. No obstante, las baterías tienen una vida finita, que puede verse acortada considerablemente si las condiciones ambientales – especialmente la temperatura – se sitúan fuera del rango óptimo. En la mayoría de instalaciones las células se sustituyen a intervalos fijos según la garantía, que suele ser de cinco años. Este planteamiento es imperfecto: las baterías que trabajan fuera de las condiciones ambientales previstas pueden averiarse antes, mientras que las baterías con un buen mantenimiento pueden tener una vida operativa más larga.

Tolerancia a fallos
Se exige a los SAI modernos que suministren altos niveles de potencia, de ahí que necesiten muchas células. En cadenas largas, un fallo en una sola célula puede provocar que falle toda la cadena. Los SAI grandes y medianos implementarán redundancia para asegurarse de que un fallo en una sola cadena no dé como resultado que se averíe todo el SAI. Si bien el SAI seguirá en funcionamiento, la corriente de pico que se puede suministrar y el tiempo de funcionamiento del sistema utilizando el SAI se verán reducidos. Además una célula averiada puede dañar otros bloques de la cadena, reduciendo así su vida operativa.

La monitorización y el mantenimiento de la batería representan un coste importante asociado al funcionamiento de los SAI. Habitualmente un ingeniero visita las instalaciones de forma periódica –quizá mensualmente – para medir las características eléctricas de las células en el sistema. La práctica habitual consiste en medir las tensiones de célula para identificar las células que trabajan fuera de rango, y que serán sustituidas. La tensión de salida no sirve siempre para predecir un fallo. Si bien una célula que muestre una tensión en la terminal que se sitúe claramente por debajo de su valor nominal se identifica al instante como un fallo potencial, las células de plomo-ácido pueden indicar una tensión de terminal satisfactoria aunque hayan visto reducida su capacidad o se encuentre en las primeras fases del fallo. Por tanto, las células pueden fallar entre estos ciclos de mantenimiento periódico y necesitan la visita añadida del ingeniero.

La monitorización continua disminuye costes
La monitorización continua de las baterías no sólo disminuye el coste al reducir el tiempo para que un ingeniero compruebe físicamente el estado de cada batería, haciendo así que su visita sea más eficiente, sino que también permite un mantenimiento preventivo. Al identificar fallos potenciales, las células se pueden cambiar durante las visitas rutinarias, asegurando así una fiabilidad superior y eliminando la necesidad de visitas de emergencia del ingeniero.
La Figura 1 muestra los resultados de un exhaustivo ejercicio de monitorización que midió las células en una instalación de radiodifusión con un SAI de 800kVA. El gráfico indica las tensiones de salida de diversas células en una de las cadenas. En este caso cada cadena tenía 200 monobloques (un monobloque es lo que en otros contextos se podría denominar una batería: múltiples células en una sola carcasa) que proporciona unos 440V. Existe una considerable variación de la tensión debida a la configuración incorrecta del acondicionamiento de la batería: esto se analizará más adelante en este mismo artículo.

El gráfico indica claramente que una célula está suministrando 2V, en lugar de los 2,2V nominales. Aunque el bloque esté produciendo una tensión más baja de lo esperado, la diferencia es relativamente pequeña, está dentro de los límites normalmente aceptables y es estable. Este comportamiento es habitual, por lo que emplear la tensión de salida como indicador de fallos es poco fiable dado que las tensiones pueden permanecer dentro de los límites y por tanto no se activan las alarmas. Esto es lo que sucede en este ejemplo; en el momento en el que se recogieron estos datos el sistema de monitorización se estaba utilizando para comprobar la efectividad de la estrategia de mantenimiento programado, y no para detectar problemas potenciales. Dado que no se realizó acción alguna, la célula posteriormente falló de manera catastrófica, durante el período cubierto por el gráfico de la Figura 2; el eje horizontal indica las fechas en las que se llevaron a cabo las pruebas. No obstante, antes del punto de fallo en el cual la tensión de la célula cayó hasta 0,7V, la tensión del bloque fallido permaneció esencialmente constante, sin dar aviso sobre el fallo en ciernes. Finalmente, en noviembre, el personal de mantenimiento sustituyó el monobloque y los niveles de tensión correspondientes volvieron a niveles indistinguibles de la media para el conjunto completo de células.

Esto confirma que la tensión de salida no sirve para predecir un fallo: un parámetro diferente – la impedancia – es un indicador mucho mejor, tal como demuestra la Figura 3. Este gráfico ilustra el aumento de la impedancia en junio, y para principio de julio el valor ha aumentado más de un 20%. Se detecta fácilmente una tendencia: la medida de la impedancia podría haber identificado el problema tres meses antes de que fallara la célula. Al usar estos datos, la célula se podría haber sustituido durante el mantenimiento periódico preventivo antes de su deterioro que provocó el fallo.

Medida de la impedancia en funcionamiento
La medida de la tensión es sencilla con las células en funcionamiento; con técnicas avanzadas de monitorización también se puede determinar con precisión la impedancia de forma no intrusiva. Estas cifras muestran la salida de un sistema de monitorización que realiza medidas periódicas mediante la superposición, por encima de la tensión de carga flotante, de una forma de onda calibrada con características de frecuencia específicas. La medida de la tensión y la corriente  para estas frecuencias revela las prestaciones básicas de las baterías. La forma de onda de prueba ha sido desarrollada para revelar cualquier cambio subyacente en las prestaciones de las células y sin embargo, dado que la valoración de tan sólo la tensión medida sirve de poco como aviso, hasta el momento del fallo.

La monitorización permanente ofrece también información útil que puede ayudar a aumentar la fiabilidad del SAI. Por ejemplo en la Figura 1 está claro que hay numerosos ciclos de carga/descarga (indicados con  los picos de la curva de tensión). Aunque las baterías necesitan acondicionamiento, este patrón de descarga de la batería es demasiado frecuente, con 4-5 descargas al mes. Si bien un cierto acondicionamiento de la batería prolonga la vida operativa, demasiados ciclos de descarga reducen el tiempo de vida: una configuración normal tendrá un ciclo de dos o tres veces al año. Las células suelen tener un tiempo de vida garantizado de 20-50 ciclos. En el caso sometido a examen las baterías lo superarían en tan sólo unos pocos meses, y una estrategia de sustitución de las baterías cada cinco años significaría que las células serían se someterían a muchos más ciclos de descarga de lo que fueron diseñadas.
Los frecuentes ciclos de carga/descarga en esta instalación fueron debidos a que el instalador dejó el SAI en modo de puesta en servicio, por lo que la batería se carga frecuentemente para permitir la realización de pruebas; un error que sorprendentemente resulta común y puede acortar enormemente la vida de las baterías. Las configuraciones erróneas no serán evidentes para los ingenieros durante sus visitas a la instalación, pero la monitorización automática y continua evidenciará el problema.

Otra causa que reduce el tiempo de vida de la batería es la alta temperatura. Incluso un pequeño incremento de la temperatura incrementa el número de reacciones químicas no deseadas en la batería, que en última instancia provocarán su fallo. Los fabricantes de baterías suelen indicar los tiempos de vida a 20°C. La Figura 4 ofrece la variación de la ambiente en este sistema respecto al tiempo, y en un punto alcanza los 22°C. El aire acondicionado no logró mantener la temperatura dentro de un rango aceptable, y ello dio como resultado una disminución de la vida de la batería. Además, la mayor temperatura podría anular la garantía del fabricante de la batería.

Hemos visto que la monitorización permanente de la batería ofrece numerosas ventajas, más allá de la disminución del coste al lograr que sean más eficientes las visitas de los ingenieros a las instalaciones. En este ejemplo la monitorización automática de la impedancia de la batería habría identificado el fallo en una célula tres meses antes de la avería final.
La monitorización continua también simplifica la identificación de problemas de configuración de los SAI: una frecuencia incorrecta de carga/descarga puede acortar enormemente la vida de la batería. La monitorización mide las condiciones ambientales, asegurando que la vida operativa no se vea reducida por las altas temperaturas.

La monitorización maximiza la vida de las células, reduce el riesgo de fallo y ahorra dinero al asegurar que las cadenas no se han de sustituir de forma prematura, y asegurando también la detección temprana de células deterioradas, lo que permite a menudo su sustitución antes de que falle la cadena. Aunque sistemas críticos como los SAI no constituyen un objetivo prioritario en el recorte de costes, es importante que los usuarios adopten la monitorización permanente dado que disminuye el coste y aumenta la fiabilidad.

Autor: Loic Moreau, LEM SA

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